طراحی کاوشگر

سامانه ی محرک: هر کاوشگر دارای 6 چرخ است که به همراه یک سامانه ی تعلیق، بر روی یک واگن مسطح پل مانند، سوار شده اند. ساختار سامانه، این اطمینان را ایجاد می کند که در زمان رانندگی بر روی سطح ناهموار، چرخ ها از سطح جدا نشوند و بر روی سطح باقی بمانند. طراحی واگن نیز به گونه ای است که بدنه ی کاوشگر بدون وجود سامانه ی تعلیق هم،می تواند نیمی از حرکت پایه ها و چرخ ها را تحمل کند. واگن به گونه ای طراحی شده است که کاوشگر می تواند به راحتی از روی موانعی مانند سنگ ها و حفره هایی که قطرشان بزرگتر از یکی از چرخ ها باشد(250 میلی متر) عبور کند. چرخ ها آج دار هستند و به کاوشگر کمک می کند، بتواند از سطوح شنی صاف و یا سنگ ها بالا برود.

هر یک از شش چرخ کاوشگر، به موتور محرک جداگانه ای مجهز است. جفت چرخ جلویی و جفت چرخ عقبی (علاوه بر موتورهای محرک هر چرخ) هر یک، یک موتور فرمان کنترل شونده نیز دارند. این فرمان به کاوشگر امکان چرخش 360 درجه ای درجا را، می دهد. همچنین وجود فرمان چهار چرخه، توانایی حرکت کاوشگر روی مسیر منحنی را ایجاد می نماید و امکان گردش منحصر به فردی را به آن می دهد. کاوشگر به گونه ای طراحی شده که تا 45 درجه کج شدن را بدون این که واژگون شود، تحمل کند.البته سخت افزار کاوشگر، ضمن در نظر گرفتن محدوده ی خطا و جهت جلوگبری از خطرات احتمالی، برای حداکثر تمایل زاویه ای 30 درجه در مسیر، برنامه ریزی شده است.هر کاوشگر این توانایی را دارد که هریک از چرخ هایش را به تنهایی و برای حفر گودال در زمین، بچرخاند. کاوشگر به گونه ای طراحی شده است که در زمان حفاری یک چرخ، بتواند بدون حرکت باقی بماند. بیشینه ی سرعت کاوشگر در زمین های صاف و محکم، 50 میلی متر بر ثانیه می باشد.کاوشگر مجهز به سخت افزاری است که برای پیش گیری از خطرات احتمالی، هر چند ثانیه یک بار آن را متوقف می کند و با ارزیابی دوباره ی موقعیت، دستور حرکت مجدد را صادر می نماید؛ بنابراین سرعت میانگین کاوشگر کمتر شده، به حدود 10 میلی متر بر ثانیه می رسد. برنامه ریزی کاوشگر به گونه است که پس از هر 10 ثانیه پیشروی، به مدت 20 ثانیه می ایستد و زمین و عوارضی را که بر روی آن رانندگی می کند بررسی می نماید، تا در 10 ثانیه بعدی حرکت مطمئنی داشته باشد.

سامانه ی الکترونیک و قدرت: زمانی که نور کافی وجود داشته باشد، آرایه های خورشیدی کاوشگر حدود 140 وات توان تولید می کنند و برای این منظور بایستی 4 ساعت در روز مریخی، در معرض نور باشند. توان مورد نیاز برای رانندگی کاوشگر حدود 100 وات می باشد.این همان مقدار توانی است که برای روشنایی یک لامپ 100 وات مصرف می شود! سامانه ی تولید قدرت کاوشگر، دارای دو باتر یونی – لیتیومی قابل شارژ است که هر کدام 7.15 کیلوگرم وزن دارد و انرژی مورد نیاز کاوشگر را در زمان کاهش نور خورشید و شب ها، تأمین می نمایند.

با گذشت زمان باتری ها ضعیف می شوند و قادر به تأمین تمام ظرفیت توانی خود نیستند؛ از این رو آزمایشگاه دانش مریخ (Mars Science Laboratory) تصمیم دارد در آینده از مولدهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپی (Radioisotope Thermoelectric Generator) برای تأمین انرژی تجهیزات همراه کاوشگر استفاده کند که انتظار می رود این مولدهای جدید حدود یک سال مریخی کار کنند. مولدهای ترموالکتریک یاد شده می توانند در محیط های تاریک و عرض های جغرافیایی بالا (که دیگر در آن جا انرژی خورشیدی راه موثری یرای تولید توان نیست) کار کنند. گمان می رفت که در پایان مأموریت 90 روزه ی کاوشگران در مریخ (یعنی مدت زمان اولیه مه بعدها چند بار تمدید شد) قابلیت تولید توان آرایه های خورشیدی، به حدود 50 وات کاهش یابد. این گمان بر این فرض استوار بود که با پوشیده شدن آرایه های خورشیدی از گرد و غبار مریخ و کاهش سطح نورگیری، قابلیت آرایه ها کم شود. اما حدود دو سال بعد، توان تولیدی آرایه های کاوشگر هنوز در بازه ی 300 تا 900 وات در روز قرار داشت. با آن که این میزان نسبت به مقدار اولیه کاهش داشت اما باز هم فراتر از انتظار طراحان بود. باد مریخی آرایه ها را تمیز می کرد و این از مواردی بود که کارشناسان ناسا پیش بینی نکرده بودند؛ همین باعث افزایش مدت زمان مأموریت کاوشگر ها شد.

«روحیه» و «فرصت» هر یک دارای رایانه ی داخلی به نام Vx Works هستند که در محفظه ی ویژه ای جاسازی شده اند. این محفظه نسبت به تابش خورشید ایزوله شده است. هر رایانه دارای CPU از نوع RAD6000 با 128 مگابایت حافظه ی DRAM (Dynamic Random Access Memory) ، یک سامانه ی اعلام و تصحیح خطا، 3 مگابایت حافظه ی EEPROM (Electronically Erasable Programmable Read Only Memory) و 256 مگابایت Flash Memory می باشد. برای گذراندن همه ی فازهای مختلف مأموریت، اجزای حیاتی کاوشگر نمی بایست دماهای بالاتر از 40 و پایین تر از 40 – درجه ی سانتی گراد را، تحمل کنند. از این رو 8 واحد گرمایشی رادیوایزوتوپی (Radioisotope Heater Units) شب ها کاوشگر را گرم می کنند. هر یک از این رادیوایزوتوپ ها، تولید می نمایند و در صورت نیاز گرمکن های الکتریکی نیز به کمک آن ها می آیند. برای عایق کاری یک لایه ی نازک طلا (که بر روی مجموعه اسپری می شود) به همراه یک لایه ایروژل سیلیکا (Silica Aero – gel) استفاده شده است تا مجموعه، تبادل گرمایی کم تری با مجموعه داشته باشد.

ارتباطات: کاوشگر دارای دو آنتن است؛ یکی آنتن بهره بالا (High-Gain Antenna) و دیگر آنتن بهره پایین (Low-Gain Antenna). آنتن بهره پایین از نوع گیرنده و فرستنده ی همه جهته (Omni Directional) است و اطلاعات را با نرخ پایین به آنتن های شبکه ی فضایی عمیق (Deep Space Network) زمین می فرستد، اما آنتن بهره بالا از نوع تک جهته و هدایت شونده است و می تواند اطلاعات را مستقیم و با نرخ بالا به زمین بفرستد. کاوشگرها قادرند اطلاعات را با آنتن بهره پایین که از نوع UHF (Ultra High Frequency) می باشد به سایر سفینه هایی که در اطراف مریخ می چرخند، مانند مدارگرد اودیسه و مدارگرد جهانی مریخ (که به عنوان مرکز انتقال پیام و اخبار از زمین به کاوشگرها مورد استفاده قرار می گیرد) بفرستند.

از تقویت کننده ی مدارگرد ادیسه برای تقویت سیگنال های ارسالی به زمین استفاده می شود. مزایای استفاده از مدارگردهایی که اطراف مریخ می چرخند آن است که مدارگردها نسبت به آنتن های زمینی به کاوشگر ها بسیار نزدیک ترند. همچنین مدارگردها در فواصل زمانی بیشتری نسبت به کاوشگرها (که روی سطح مریخ قرار دارند) زمین را در دامنه ی دید خود دارند آنتن های UHF مدارگرد ها، امواج رادیویی زمینی یا مریخی را دریافت و به سوی مقابل ارسال می کنند. آنتن های مدارگردها دارای گستره ی موجی کم تری نسبت به آنتن های کاوشگرها هستند، بدین ترتیب سیگنال های ارسالی کم تر دچار خدشه می شوند.

برای کمک به دریافت صحیح اطلاعات در زمان فرود، یک آنتن UHF روی کاوشگر و دیگری روی یکی از لبه های سامانه ی فرود نصب می شود. تمام دوربین های کاوش گرهای مریخ (همه ی 18 دوربین روی 2 کاوشگر) عکس هایی با کیفیت 1024X1024 پیکسل در 12 بیت بر پیکسل می گیرند، این عکس ها، قبل از ارسال به مدارگردها تا 8 بیت بر پیکسل فشرده می شوند. این عمل توسط ICER انجام می شود. عکس های ناوبری و گرافیکی و بسیاری دیگر از عکس ها، تا حدود یک بیت بر پیکسل فشرده می شوند و بیت های کوچک تر (کم تر از 0.5 بیت بر پیکسل)، برای طول موج های معین عکس های رنگی با چشم انداز وسیع، مورد استفاده قرار می گیرند.

فشرده سازی عکس ها توسط ICER نسبت به نمونه هایی که در مأموریت های قبلی استفاده شده بود بسیار موثرتر بوده است. فشرده ساز عکس ها به گونه ای طراحی شده بود که خواسته های کاربردی شبکه را برآورده سازد.ICER از فرمت JPG استفاده می کند و با این روش تراکم موثرتر و با ضایعات کم تری نسبت به فشرده سازی تکی (که در دیگر مأموریت ها استفاده می شد) انجام می دهد.

ابزار علمی: ابزارهایی که روی مجموعه ی دکل های دوربین کاوشگر وجود دارند عبارتند از :

1 – دوربین با چشم انداز وسیع (Panoramic Camera) که برای تعیین بافت، رنگ، کانی شناسی و ساختار عوارض محلی از آن استفاده می شود. این مجموعه را «شرکت هوافضایی و فناوری بال» در شهر بولدر ایالت کولورادو ساخته است.

2 – دوربین ناوبری (Navigation Camera) یک دوربین با کیفیت تجزیه ی پایین تر، دامنه ی دید وسیع تر و تک رنگ است مه برای ناوبری و پیشروی کاوشگر استفاده می شود.

3 – آیینه ای برای طیف سنج مینیاتوری پرتوگرمایی (Miniature Thermal Emission Spectrometer) ساخت دانشگاه ایالتی آریزونا برای شناسایی سنگ ها و خاک هایی که باید آزمایش شوند و تعیین فرایند تشکیل سنگ های مریخی.

دوربین های نصب شده بر روی دکل حدود 1.5 متر ارتفاع دارند. یک موتور بر روی سر مجموعه ی دوربین ها وجود دارد که دوربین ها و آینه را در جهت افقی به میزان 360 درجه می چرخاند. موتور دیگری دوربین ها را تا 90 درجه به سمت پایین و بالا می تواند بچرخاند. موتور سومی نیز برای موقعیت ارتفاعی آینه وجود دارد و قادر است آن را 30 درجه به سمت بالا و 50 درجه به سمت پایین سطح افق دوران دهد. سامانه ی تعلیق و نگهداری آنتن بهره بالا (High-Gain Antenna Gimbals) را نیز، شرکت هوافضایی و فناوری بال ساخته است. همچنین برای مواقع اضطراری چهار دوربین تک رنگ (Hazed Camera) بر روی سطوح کاوشگر نصب شده اند که دو تا در جلو و دو تا در پشت کاوشگر هستند. به این ترتیب این دوربین ها و آینه دید گسترده ای به کاوشگر می دهند و می توان آن ها را چشم های کاوشگر نامید.

ابزار دیگر به کار رفته در کاوشگرها، دست افزار رباتیک کاوشگر (Instrument Deployment Device) نامیده می شود. روی این دست افزار مجموعه ابزارهای ذیل نصب شده است و قادر است هر یک از ابزارهای ذیل را مستقیماً مقابل سنگ ها و خاک هایی که هدف آزمایش هستند قرار دهد:

1 – طیف سنج موسباور (Mōssbauer Spectrometer یا MIMOS II) که دکتر «گوستار کلینگرهوفر» از «دانشگاه یوهانس گوتنبرگ»، در ماینز آلمان برای بررسی نزدیک و کانی شناسی سنگ ها و خاک های خانواده ی آهن، آن را طراحی کرده است.

2 – طیف سنج ذره ی آلفا – اشعه ی ایکس (Alpha Particle X-Ray Spectrometer) که در «انستیتو شیمی ماکس پلانک» در ماینز آلمان طراحی و ساخته شذه است و برای آنالیز نزدیک فراوانی عناصر گوناگون در خاک مریخ مورد استفاده قرار می گیرد.

3 – آهن ربا برای جمع آوری ذرات مغناطیسی خاک، که «جانز مارتین نودسن» و گروهش در «انستیتو نیلز بور» کپنهاک ساخته اند. «طیف سنج موسباور» و «طیف سنج ذره ی آلفا – اشعه ی ایکس» ذرات جمع آوری شده را آنالیز می کنند و مشخص می نمایند که نسبت ذرات مغناطیسی به ذرات غیر مغناطیسی و ترکیب کانی های مغناطیسی در خاک هایی که توسط باد جابه جا شده اند و سنگ های که توسط ابزار ساییده شده اند چقدر است. آهن ربا در جلوی کاوشگر نصب شده و بی وقفه، توسط طیف سنج موسباور بررسی های خود را انجام می دهد.

4 – دوربین میکروسکوپی (Microscopic Imager) که دیود نوری آن را «کن هرکنهوف» و گروه همکار وی در «موسسه ی کاوش و نجوم(!)شناسی» ساخته اند و برای گرفتن عکس های کیفیت بالا و نزدیک از سنگ و خاک مریخ طراحی شده است.

5 – ابزار سایش سنگ ها (Rock Abrasion Tool) که توسط «شرکت الکترونیک هانی ول» برای جدا کردن خاک ها و سطوح سنگی هوازده و ظاهر شدن مواد تازه ی سنگ ها، جهت آزمایش ابزارهای ذکر شده، ساخته شده است.

تشریح قسمت های مختلف کاوشگر (به دوربین ها و مکان قرارگیری آن ها دقت کنید)

منبع: ماهنامه ی «صنایع هوافضا»، شماره ی 22 ، 23 و 24 ، گردآوری شده توسط روح الله بدری مقدم کارشناس ارشد هوافضا

منابع اصلی:

References

1-Portions of this article are adopted from NASA/JPL Mer article

2-Additional information was adapted from the Mer homepage

External Links

1-NASA websites

2-NASA JPL’s Mer website

3- NASA JPL’s Mer Images website

4-NASA homepage covering all current Mars Mission

5-NASA Photo journal site for the mission – Archive for Mer as well as other images of mars

Images of mars

1-Mars24 clock for mars time

Science Instrument Websites

1-Athena Science Payload, Cornell University

2-PanCam Instrument Webpage, Cornell University

3-Microscopic Imager, USGS Astrogeology Research Program

4- Miniature Thermal Emission Spectrometer, Arizona State University

5- Mōssbuauer Spectrometer, Johannes Gutenberg University

6- Rock Abrasion Tool, Honeybee Robotics

Other Websites

1-What On Mars-latest mars news & Images

2-http://www.marsgeo.com/-mars rover photos, videos, surface geology of mars

3-PBS NOVA: Dead or Alive (about the rover missions)

4-(AXCH 2004) 2004 Mars Exploration Rovers Highlights-News, Status, Technical info, History & more

5-Mars Image site with automatically generated stereo anaglyphs & true-color images generated raw JPL images

6-COSMUS colorized versions of several stereo photographs, created by Mark SubbaRao et, al, at Alder Planetarium Astronomy Museum, the university of Chicago, and North Western university

7-mars wiggle image with create sensation of depth by rapidly switching images

8-Text Update from SpaceFlightNow.com on MER-A activity

9-Updates from SpaceFlightNow.com on MER-B lunch activity

10-A Palm Pilot port from Mars-24

11-MAESTRO-public version of rover simulation software

12-Maas Digital Gallery: Mars exploration rover Scientifically accurate animation

13-Geoffery Landis Website (MER Scientist)

14-Mors Rover Manual: Centralized resource from all publically realized rover technical details

15-Mars Rover Mission 360 degree Full screen interactive panoramas

16-Disney’s Roving Mars an IMAX film about the MER mission

17-MER Analysts Notebook (access to the MER scientific data set)

18-Scientific American Magazine (Mars 2004 Issue) The Spirit of Exploration